由共溅射钛掺杂氧化镓高耐久性忆阻器实现的人工光电神经突触

《Materials Science in Semiconductor Processing》：Artificial optoelectronic neural synapses enabled by Co-sputtered Ti-doped Ga 2O 3 high-endurance memristor

　　

• •
  Ti掺杂实现了W/Ga₂O₃/Pt中体相与界面的协同作用，调控氧空位并稳定了细丝和W界面。
• •
  优化后的W/Ti-Ga₂O₃/Pt器件展现出超56,000次的超高直流循环耐久性，且具有约100的稳定电阻窗口。
• •
  该忆阻器表现出电学和紫外光电突触可塑性，并具有学习-遗忘-再学习行为。
• •
  该器件在基于卷积神经网络的类脑计算中实现了92.8%的手写数字识别准确率。

引言

在大数据时代，全球数据量呈指数级增长。先进的数据处理技术对于分析这些大规模异构数据集并从中提取可操作的商业价值是必不可少的。然而，传统硬件架构难以实现海量数据的高效实时处理。传统冯·诺依曼架构中固有的存算分离构成了制约性能扩展的关键瓶颈。[1]、[2]、[3]、[4]。阻变存储器（RRAM）的出现为克服传统硬件的局限性提供了一条有前景的途径。这些RRAM具有出色的非易失性存储特性和多电平电阻状态，能够实现数据存储与计算的融合。它们可以实现超高密度信息存储并模拟神经网络中的突触连接，在大数据和人工智能领域具有广阔的应用前景[5]、[6]、[7]、[8]。迄今为止，阻变层已采用多种材料实现，包括有机钙钛矿[9]、氧化物半导体[10]和二维材料[11]。其中，氧化镓（Ga₂O₃）作为一种代表性的氧化物半导体，凭借其稳健的双极性阻变（RS）行为、优异的光学性能和良好的化学稳定性，成为理想候选材料之一[12]、[13]、[14]、[15]、[16]。

作为RRAM的关键参数，循环耐久性决定了器件在波动条件下的重复电阻切换能力，并确保了长期的读写稳定性。迄今为止，基于Ga₂O₃的RRAM仍然表现出较差的循环耐久性。例如，Li等人通过等离子体增强原子层沉积（PEALD）制备了Ga₂O₃/ZnO多层原子层堆叠结构，通过调控氧空位（V_o）的含量和浓度梯度提高了器件的循环耐久性，并阐明了耐久性性能提升的机理[17]。Wang等人通过优化溶液工艺中的前驱体浓度和退火温度，有效地将溶液法制备的Ga₂O₃薄膜基光突触忆阻器（以Ag/Ga₂O₃/Si结构为例）的循环耐久性提升至150次连续set-reset循环；相比之下，在低温退火条件下制备或采用单层Ga₂O₃的器件则表现出较差的循环耐久性[18]。Mir Waqas Alam等人通过电子束蒸发技术制备了Au/β-Ga₂O₃/WO₃/Ag双层异质结构薄膜忆阻器[19]。研究证明，其电阻切换行为依赖于V_o的迁移以及导电细丝的断裂与重新形成。此外，双极性切换特性归因于上下电极功函数差异引起的肖特基势垒调制。该器件实现了300次稳定的循环切换耐久性。然而，所有这些结构均表现出较低的循环耐久性，这可能导致器件过早失效并对外围电路产生不利影响。掺杂是提高器件循环耐久性的有效方法。例如，Yang等人通过水热合成方法向δ-MnO₂中掺杂Cu²⁺/Zn²⁺离子，通过协同机制显著提高了Ag/δ-MnO₂/Ti忆阻器的循环耐久性和电阻状态稳定性：该机制包括氧空位和Ag⁺导电细丝的可控形成与断裂，以及与原位生成的CuO/ZnO缓冲层所实现的界面势垒调制相结合[20]。

受上述事实启发，本工作通过共溅射技术制备了W/Ti掺杂Ga₂O₃/Pt忆阻器。具有最优Ti掺杂浓度的器件实现了超高的循环耐久性（>56,000次）、可观的导通/关断比（≈100）、优异的保持特性（>10⁴ s）以及2比特的多电平存储能力。为了揭示性能优化的底层机理，I-V拟合表明，高阻态的传导机制从未掺杂器件中的空间电荷限制导电（SCLC）转变为最优掺杂器件中的晶界势垒发射（PF）。XPS拟合分解结果验证了Ti掺杂引入了与氧空位相关的额外缺陷，这些缺陷参与了电阻切换过程，从而抑制了低阻态的失效。同时，Ti位点附近的较低V_o形成能促进了V_o导电细丝的方向性生长。当施加顺序紫外光脉冲照射时，器件首先实现了多种光电突触功能，包括成对脉冲易化（PPF）、脉冲强度依赖性可塑性（SIDP）、脉冲数量依赖性可塑性（SNDP）和脉冲时间依赖性可塑性（STDP）。此外，在光学调制下实现了复杂的学习-遗忘-再学习类脑特性。通过编程电脉冲刺激还可以成功模拟典型的电学突触特性。经实验验证的光致突触增强和电触发突触抑制行为被实现于卷积神经网络（CNN）的权重更新机制中。在修改版国家标准化技术研究所（MNIST）图像识别任务中，所制备器件的线性电导可调性被用于模拟生物神经系统中突触权重的调制。这些发现为开发高性能存储器件和构建类脑计算架构奠定了坚实基础。

章节摘要

实验部分

首先，将n-Si切割为1.5 × 1 cm²的片材，随后用去离子水、丙酮和乙醇超声清洗30分钟。随后，将n-Si基板用氮气干燥并在室温下放置24小时。随后，通过直流（DC）磁控溅射在室温下在预处理后的Si基板上沉积Ti黏附层，溅射功率设为70 W。在此步骤之后，在Ti上生长了Pt底电极（BE）

忆阻器器件的结构与组成

TGO薄膜通过共溅射沉积工艺制备在Pt/Ti/n-Si平台上（图S1a）。相应的器件结构示意如图S1b所示，其中垂直堆叠结构包括W顶电极、TGO开关层、Pt底电极、Ti界面黏附层和n-Si支撑基板。图1中的扫描电子显微镜（SEM）图像显示了TGO-25器件，功能层厚度

结论

综上所述，通过共溅射技术制备的TGO-25器件表现出最优的阻变性能，具有最大56,000次的直流循环耐久性、约100的稳定高阻态/低阻态电阻窗口、优异的电阻均匀性以及通过调节电流钳位实现的可控多电平存储能力。机理研究证实，Ti掺杂优化了氧空位导电细丝的形成与断裂并稳定了金属/氧化物界面，

CRediT作者贡献声明

周立伟：撰写——审阅与编辑、监督指导、项目管理、基金获取、概念设计。李盼：撰写——初稿撰写、形式化分析、数据管理。王宇桥：形式化分析、数据管理。陈浩然：可视化、资源支持、形式化分析。李淑怡：可视化、验证、调查研究。陈蓉蓉：验证、方法论、调查研究。赵金士：撰写——审阅与编辑、监督指导、项目管理、基金获取，

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本工作得到了天津市企业科技特派员项目（项目编号：25YDTPJC00320）、国家自然科学基金（项目编号：62004140）和晶体材料国家重点实验室的支持。

周立伟|李盼|王宇桥|陈浩然|李淑怡|陈蓉蓉|赵金士